提高石油采收率方法研究现状*孙超张金功(西北大学地质系,西安, 710069)摘要国内外所采用的提高石油采收率方法,主要基于降低石油运移的阻力来实现,目前研究较多的有3种:化学法、热力法和混相法,新兴的方法有微生物法和地震法等,其中电渗法和声波法尚处于实验研究阶段。

今后主要的发展方向应是各种方法的进一步优化和结合,另外,从油气成藏机理角度开发新的提高采收率方法可能是今后重要的研究方向,有望能导致新的突破。

关键词石油采收率化学驱热力驱混相驱1概述油气田开发的任务就是尽可能经济、合理地提高地下油气的采出程度,即提高石油采收率。

纵观原油生产的全过程,其实就是一个不断提高采收率的过程。

在原油生产的第一阶段(一次采油),原油是利用天然能量来开采的,其最终采收率一般只能达到15%左右。

当天然能量衰竭时,通过注水向油层提供补充能量,即开始了开采的第二阶段(二次采油)。

它的采收率远比能量衰竭法高,最终采收率通常为30%～40%。

当该油田的水油比接近作业的经济极限时,即产出油的价值与水处理及其注入费用相差太小,而使纯收益减少时,则进入了三次采油的阶段,这个阶段被称为“提高原油采收率”(或“强化开采”“Enhanced Oil Recovery”,即EOR)。

由于一次采油和二次采油方法采出的原油总量一般小于原始地质储量的40%,地下还有至少60%的储量等待开采,因而提高采收率方法的研制,目前备受国内外重视。

〔1,2〕。

从机理上讲,提高采收率可以从两方面入手:增加原油流动的动力或降低其阻力。

增加动力的方法有注水、注天然气、以及地震法和声波法。

降低阻力的方法则多种多样,大致可分两类:其一为降低流体的表面张力及粘滞阻力,常用方法为化学驱、热驱和混相驱,还有新兴的微生物驱;其二为扩大运移通道,主要方法为酸化和压裂。

从目前国内外研究状况看,一次、二次采油过程及相应的提高采收率方法相对比较成熟,而三次采油过程及相应的方法尚处于部分工业运用及实验室研究阶段,下面主要对后者作详细论述。

2提高采收率的主要方法2.1化学法化学驱可分为3种主要的工艺技术;表面活性剂驱、聚合物驱和碱水驱。

表面活性剂和碱水驱油的机理是以形成超低界面张力为基础的,而单注聚合物或注入表面活性剂后又注入聚合物,则可以控制流动度,从而也就提高了原油采收率。

注入到油藏中的碱水与存在于石油中烃的衍生物中的脂肪酸发生化学反应,就地形成脂肪酸的钠盐,形成这些表面活性剂促使造成超低界面张力〔3〕。

表面活性剂驱的研究始于50年代, 60年代中期,美国已开始用磺酸盐投井使用。

目前该法已经成为三次采油提高采收率的重要方法之一。

至于聚合物驱中最重要的一种聚合物是聚丙烯酰胺(PAM),常用于流度控制和渗透率调整。

最近有人研究用交联聚合物的方法驱油, 经微观和宏观渗流实验方法研究认为,交联聚合物不但有调剖作用,还具有驱油作用。

交联聚合物可明显改善油藏在高含水期的水驱油效果,控制含水率上升速度,以适当的主段塞和副段塞组合可获较好的增油降水效果〔4〕。

应用更广泛,研究得更多的是复合驱。

例如粘土含量高,原油酸值较低,单独用碱水驱无法获得较高产油量的油田,应用复合驱可取得较为理想的开采效果。

实验表明,采用常规方法,利用离子交换原理,即使使用最优的胶束系统,三次采收率也没超过原始地质储量的50%。

但如果用碱液首先驱走原生水中和固定在粘土上的钙离子,然后注入表面活性剂、聚合物和相同的碱,可使原油产量提高到原始地质储量的70%,效益成本比值也可提高两倍。

产能改善是低界面张力、低磺酸盐滞留和流度控制的结果〔5〕。

碱、表面活性剂和聚合物都是高效的驱油剂,复配的优势在于既发挥单一驱油剂的长处,又可使其产生协同效应,获得更好的驱油效果。

现场试验证明,碱-表面活性剂-聚合物(ASP)驱油技术能经济地采出增产油,并能获得新储量①。

2.2热力法当油藏中含有低重度(小于20°API)、高粘原油并且油层的孔隙度较高时,应重视用热力法开采。

注蒸汽降低原油粘度,从而提高原油流动性。

根据热量在油藏中产生的方式不同,热力法可分为3种:地下燃烧(或称火烧油层)、注蒸汽和湿式燃烧。

在火烧油层方法中,用化学品、井下电加热器或井下气体燃烧器点燃近井地带原油,在近井地带完成点火后,就要连续注气促进燃烧带向生产井移动。

连续燃烧带的延伸几乎能清除所有油藏流体,并在清除过的岩石中留下热量,留下的热量能使注入空气在到达燃烧带前被预热。

注蒸汽法使将蒸汽连续或周期性地注入油藏,连续注汽是注入井注汽,生产井采油,而周期性注蒸汽仅使用同一口井,即在同一口井注汽又在该井采油。

注蒸汽比火烧油层易于控制,对相同的井网来说,火烧油藏增产的见效时间比注蒸汽慢25%～50%。

湿式燃烧是指在火烧油层方法中,大量的热量留在被驱扫过的地层作为废热。

可以用注入水的方法利用废热提高热能利用率,并改善驱油效率。

在燃烧过程中,水亦随空气注入。

在汽化前缘形成过热蒸汽,过热蒸汽将传到燃烧前源的后面,这一方法的优点是在燃烧前缘作为燃料燃烧的残余油气大幅度减少(Dietz, 1970; Burger和Sahuquet, 1973)。

这就可以驱替出更多的石油和减少油藏中燃烧单位体积油所需的空气量。

目前一种由上到下的火烧油层方法正在进行实验室研究。

它可以解决在油砂和稠油藏中成功地使用火烧油层的一些问题。

该方法使火烧前缘从油藏顶部到底部稳定地传播,将稠油驱到下面的水平井中①。

另外,采用单口水平井生产时,燃烧的最高温度达400℃,原油采收率超过原始地质储量的66%。

总的来讲,单口水平井生产方式中观察到的燃烧前缘沿推进比单口直井更稳定。

尤其是与直井实验期间沿中间而出现的气体窜越超前推进的趋势相比较,水平井的垂向扫油效果更为稳定。

②。

蒸汽驱是开采重油、高粘油的重要方法,目前得到广泛应用。

连续注蒸汽可获得更大的最终采油量,所以得到更广泛的应用。

周期注蒸汽对密井距情况来说,能以较低的成本获得更大的产量,不过最终采收率相当低,仅有10%～25%。

根据邓育明、马宝歧等人的研究,用碱法造纸废液作为稠油热采的添加剂,能化害为利,可获明显的经济效益和社会效益。

研究表明,碱法造纸废液降低稠油粘度的主要机理是乳化, 且从驱油效果来看,造纸废液较NaOH溶液油田水驱效果更好〔6〕。

而据周光辉等人研究,用碱做为蒸汽驱的添加剂,能降低油水间的界面张力,是改善驱油效率,提高蒸汽波及系数的有利因素之一。

实验用NaOH溶液作为蒸汽驱中的化学添加剂能够有效地改善经济采收率和油气比,比普通蒸汽驱提高采收率7%左右〔7〕。

壳牌石油公司应用的压力周期性变化蒸汽驱技术是将蒸汽注入底部高含水、高渗透的砂岩层段中,使注采井之间形成热连通,然后通过高速注汽并限制油井生产的方式,在油藏中形成高压,接着通过增加生产井产量并降低注汽速度的方式,使油藏压力降低,如此反复多次,注入热量向油藏上部扩散,原油在重力作用下向下流动进入生产。

采用该项新技术后,最终采收率超过50%,油汽比大于0.25,效果明显好于常规蒸汽驱③。

有人提出将多种化学剂组成的吞吐液以蒸汽吞吐的模式注入油层,使其与原油发生乳化,降低油水的流度比,改变地层的润湿性和毛管力,以提高稠油产量和采收率。

室内模拟实验和现场试验证明化学吞吐液可以起上述作用。

此方法为稠油的开采,特别是提高蒸汽开采稠油的采收率开辟了新的途径〔8〕。

另外,据研究,蒸汽注入速度应大于120 t/d,且试验结果呈现出注汽速度越大,油气比越高的趋势。

高速注汽不但可以开采一般的稠油油藏,而且可以开采常规蒸汽驱无法开采的薄层的稠油油藏〔9〕。

而当蒸汽突破后,采用间歇注汽方式,可以达到抑制气窜,提高蒸汽比容、波及体积、干度、油相相对渗透率、热利用率及自渗吸驱油之目的,从而提高稠油蒸汽驱效果〔10〕。

2.3混相法混相驱的原理是注入一种溶剂如酒精、烃、凝缩的石油气、液化石油气或二氧化碳,这些溶剂能溶解在油藏原油中。

注入的溶剂减少了引起原油滞留在油藏岩石孔隙空间的毛管力。

在混相驱油过程中,先注入一种溶剂段塞,然后再注入液体或气体把溶剂-油的混合物驱替出来。

混相驱方法可分为:注混相段塞法、注富气法、注高压贫气法、注互溶剂和二氧化碳法。

混相段塞法的原理为注入大约等于一半油藏孔隙体积的液态烃段塞,然后注入气体或水把段塞驱替出油藏。

注富气的方法是,先注入富天然气段塞(10%～20%孔隙段塞),然后注入贫气或贫气和水。

高压注贫气方法则是在高压下注入贫气,目的是造成原油的反汽化,并在油藏原油和气之间形成由C2-C6成分组成的混相。

在注富气方法中,中间烃C2-C6馏分由气变成油,而在注高压贫气方法中,中间烃C2-C6馏分由油变成气。

注互溶剂方法的原理是注入,既在油藏油中混相,又在水中混相的溶剂(如醇类)。

这些溶剂在油藏中形成单相并因而改善了原油采收率。

为保证形成单相,需要非常高的注入溶剂浓度。

在注二氧化碳方法中,二氧化碳在油中混相的机理类似于高压注贫气方法。

在适当的压力、温度和地层原油组成条件下,二氧化碳能形成一个混相前缘,该前缘作为单相流体移动并有效地把原油驱替到生产井。

在正常油藏温度下,低至1.035×104kPa的压力也可以使二氧化碳达到混相。

二氧化碳中不纯物质的存在,如氮气和甲烷气会增加混相压力,而存在的另外一些不纯物质,如丙烷和硫化氢则会减小混相压力。

二氧化碳混相驱和非混相驱均可发挥良好作用,在美国推广使用的效果良好,主要因为二氧化碳资源充足,对砂岩和碳酸盐岩都有效。

许多待选油藏的深度足以利用混相驱的需要注入压力,采出的二氧化碳可分离,并回注到地层中,降低了二氧化碳的必需购买量等。

非混相驱中近年见到研究较多的是注氮气法。

在注氮气提高采油量的几种机理中,原油与氮气之间的密度差和较低的界面张力,在驱油过程中起主要的作用。

在雁翎油田,注氮气后,裂缝系统中残余油饱和度还有13%左右,需用其他方法开采。

此方法成功的关键因素之一是控制合理的注气速度。

所以实际生产时,应根据井组实验过程中油气界面的临测数据,选择合理的注氮气速度〔11〕。

2.4其他方法用微生物和其代谢产物来激励原油生产的方法正在引起广泛的兴趣。

这一技术的工艺过程为:把经过选择的微生物注入到油藏中,然后就地生长的产物在油层中传输并激励油井生产。

微生物的存在有助于进一步减少二次采油以后油藏中滞留的残余油。

不过,微生物提高原油采收率法(MEOR)不可能取代常规EOR法,因为MEOR法本身具有一定的局限性。

然而,这一独特的方法似乎在许多方面有优越之处:微生物是能自行复制的物质,换句话说,微生物细胞被注入到油藏中去,还能就地繁殖并起增效作用。

研究表明,可以利用微生物的孢子调整油藏的注水剖面。

具体做法是:分离出一株具有耐盐性、可产生内生孢子的菌种,它可以生产生物聚合物,其孢子在大于500 mD的贝雷岩石中易于运移。